기초적인 원리는 더 이상 연구할 것이 없다며 ‘죽은 학문’으로 취급받던 물리학이 새로운 혁명기에 접어들고 있다. 현대물리학의 절대 진리인 알베르트 아인슈타인(1879~1955)의 ‘특수상대성이론’과 베르너 하이젠베르크(1901~1976)의 ‘불확정성 원리’가 동시에 의심받고 있다. 천재들의 머릿속에서 만들어진 이론이 ‘실험실의 기계’를 앞세운 학자들에게 도전받는 형국이다. 두 이론의 오류가 사실이라면 20세기 이후 생성된 대부분의 물리학 이론과 가설은 정도에 상관없이 원초적으로 오류를 가질 수밖에 없다.

●獨·日 연구진 “양자역학의 뿌리 결함 발견”

과학저널 ‘네이처 피직스’ 최신호는 오스트리아 빈 공업대와 일본 나고야대 공동연구진의 연구결과를 실었다. 특정 조건에서 입자들의 위치와 속도를 불확정성 원리의 오차범위 이내로 측정해냈다는 연구 내용은 물리학계에 엄청난 파장을 일으켰다. 1927년 하이젠베르크가 발표한 불확정성 원리는 아이작 뉴턴으로 대표되는 고전물리학이 미시적인 세계에서는 맞지 않는다는 점을 담고 있다. 언제 어느 상황에나 동일한 ‘계산과 결과’가 가능하다고 여겼던 과학계의 고정관념이 눈에 보이지 않는 세계에서는 적용되지 않는다는 논리다. 이 이론은 물질이 한 상태가 아니라 여러 상태로 동시에 존재할 수 있다는 ‘양자역학’의 핵심 원리가 됐다. 김재완 고등과학원 교수는 “이전에는 항상 결론이 하나였다면 조건에 따라 결과를 다르게 해석할 수 있다는 것”이라며 “개념의 확장이자 기존 한계를 뛰어넘었다는 의미”라고 설명했다. 불확정성 원리는 화학·화학공학·재료공학·나노과학 등에서도 핵심 이론이다.

●CERN “빛보다 빠른 물질 존재… 바로 중성미자”

지구나 우주와 같은 거시세계를 지배해온 아인슈타인의 특수상대성이론 역시 불확정성 원리와 같은 처지다. 유럽입자물리연구소(CERN) 과학자들은 지난해 9월 “소립자인 중성미자의 속도가 빛보다 빠르다는 측정결과를 얻었다.”고 발표했다. “빛보다 빠른 물질이 없다.”는 특수상대성이론이 틀렸다는 것이다. 현대물리학은 아인슈타인의 주장이 옳다고 전제한 뒤 쓰여졌다. 이 때문에 세계 각국에서는 CERN의 실험에 대한 검증이 한창이다.

물리학자들은 아직까지 두 이론의 오류를 인정하지 않는 분위기다. 양쪽 연구팀 모두 실험을 통해 결과를 내놓은 만큼 실험오류 가능성이 높다는 주장이다. 김정욱 고등과학원 초대 원장은 “CERN의 연구결과는 이전에 비슷한 종류의 실험과 결과가 다른 것”이라며 “대부분의 물리학자들이 100% 신뢰할 수 없다고 보고 있다.”고 밝혔다.

●“사실이라면 지동설에 비견될 만한 혁명”

그러나 두 이론의 오류가 사실로 드러날 경우 물리학의 지각변동은 불가피하다. 김수봉 서울대 물리천문학부 교수는 “사실이라면 천동설에서 지동설로 패러다임이 전환되는 것과 비견될 만한 사건”이라며 “교과서의 일부분을 고치고 추가하는 문제가 아니라 아예 처음부터 새로 써야 하는 상황이 될 것”이라고 밝혔다. 이어 “사안 자체가 워낙 중요한 문제라 섣불리 나서는 학자는 없지만, 과학은 하나라도 틀리면 틀린 것이라는 점이 중요하다.”고 강조했다.

박건형·윤샘이나기자 kitsch@seoul.co.kr